基于圖像分析的AGS 顆粒化過程形態學研究

李季垚

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

不同的國家地區污泥沉淀物的性質各不相同，只有正確認識本土污泥的特性，方能找到改善我國污泥處理現狀的方法[1]。好氧顆粒污泥（Aerobic Granular Sludge，簡稱AGS）技術被認為是廢水處理中最有前途的技術[2]。

本文使用序批式活性污泥法反應器（SBR），以自制污水為處理對象，探究好氧顆粒污泥的顆粒化進程，并分析好氧顆粒污泥對COD、氨氮和磷去除率的變化，為好氧顆粒污泥培養技術提供理論依據。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗用水

本實驗中的水樣采用人工配制的模擬廢水，按照乙酸鈉32.5g、NH4CL 4.78g、Na2HPO4·12H2O 2.89g、常量元素15～20mL、微量元素1mL、無水碳酸鈉6g 的比例進行配比。

1.2 實驗裝置與運行方式

SBR 法[3]（序批式活性污泥法）法是培養好氧顆粒污泥最常用的工藝，并廣泛應用于不同水處理領域。

實驗室所用SBR 反應器為有機玻璃圓柱，由時間程序控制器分別控制進水、曝氣、沉降、出水等全過程[4]。一個周期為4 小時，其中有15 分鐘的進水，190 分鐘的曝氣，30 分鐘的沉降和2分鐘的出水。微孔曝氣器設置在反應柱底部，用空壓機經空氣流量計曝氣。活性污泥形成需要流體剪切力，曝氣所產生的氣流達成了這一條件。

1.3 分析指標

本實驗主要測定污泥的混合液懸浮固體濃度（MLSS）、污泥體積（SVI）、污泥沉降比（SV）、化學需氧量（COD）去除率、氨氮去除率和磷去除率。

2 AGS 培養結果與討論

2.1 好氧顆粒污泥的培養過程

反應器中當曝氣產生的上升氣體流速高于1.2cm/s 時，AGS開始形成。在適當的氣體上升流速范圍內，流速越高，形成的AGS 外形越規則，結構越緊湊。

2.2 MLSS 的測定

取用兩個坩堝，分別放置0.45mm 的水吸濾膜，在103～105℃的條件下烘干并稱重，得出坩堝和濾膜的總重。然后吸取20mL 混合均勻的水樣，并對其進行抽濾，使污泥全部留在水吸濾膜上。隨后每次在103～105℃處烘干2 小時后，將樣品在干燥器中冷卻后稱量并恒重，使得兩次稱量差值不超過0.0005g。如此便可測得20mL 混合水樣中污泥的質量。

2.3 SVI 和SV 的測定

取100mL 混合均勻的水樣，并置于一個100mL 的燒杯中靜置30 分鐘，觀察污泥沉降的刻度，即可得出SVI 和SV。

2.4 化學需氧量（COD）去除率的測定

取1.5mL 待測樣于消解管中，準確加入掩蔽劑0.5mL，消解液1.5mL，硫酸催化劑2.5mL，搖勻。旋緊密封蓋，依次將消解管至于165℃的環境下消解半小時，當定時結束發出鳴叫信號時，消解過程完畢，待冷卻后，將消解管按順序從消解孔中取出。完全冷卻后加入2mL 的蒸餾水，再次冷卻后用消解反應完成的液體進行吸光度的測定。將已預熱的分光光度計波長調整至610nm，分別對每一組數據進行測定。注意在測定時需要進行兩組實驗取其平均值，同時設定一組空白對照。

2.5 氨氮去除率的測定

取1mL 待測樣于比色管中，定容至50mL，搖勻。于上述比色管中各加入酒石酸鉀鈉溶液1mL、納氏試劑1.5mL，混勻。將已預熱的分光光度計波長調整至700nm，分別對每一組數據進行測定。同樣設定一組空白對照。

2.6 磷去除率的測定

取1mL 待測樣于比色管中，定容至50mL，搖勻。于上述比色管中各加入10%抗壞血酸（冰）1mL、鉬酸鹽溶液2mL（避光保存），混勻。將已預熱的分光光度計波長調整至700nm，分別對每一組數據進行測定。同樣設定一組空白對照。

2.7 主要參數的計算公式與測定結果

COD、氨氮和磷去除率的計算公式為：

式中：x1和x2分別為進水和出水的濃度。

需注意，進水和出水的濃度要減去空白對照組的濃度，以減小其余溶液的誤差影響。

COD、氨氮和磷去除率的結果如圖1 所示。

圖1 活性污泥對COD、氨氮總磷的去除率

3 AGS 的圖像分析

3.1 顯微圖像的取樣

對不同培養階段的活性污泥進行取樣，稀釋5～7 倍后放置于光學顯微鏡下放大40 倍進行觀察。每個樣本拍攝大約40～50張，拍攝的部分圖片如圖2 所示。

圖2 活性污泥的顯微鏡觀察圖片

ImageJ 軟件因其占用內存小、功能強大、適用范圍廣等優點，被廣泛應用于細胞計數、葉片形態指標測量、根毛長度測量等多個研究方向。本文便使用ImageJ 軟件對圖片中的好氧顆粒污泥進行面積的計算和圓度的測量。

3.2 圖像面積計算

3.2.1 轉化為灰度圖像：

轉化后的效果圖如圖3 所示。

圖3 灰度圖片

3.2.2 設定測量比例：本實驗中采用的比例是0.2。

3.2.3 自動選取閾值對圖像進行二值化處理。

3.2.4 進行顆粒分析，并復制數據到EXCEL 表格中進行求和分析。

3.2.5 對每個圖片進行相同操作后進行平均值的計算。

3.3 計算圖形圓度

在3.2.4 步驟“進行顆粒分析”中，同時可分析得出圓度的數據。具體步驟如下：

在點擊[AnalyzeParticles…]按鈕之前，點擊[Analyze]按鈕，在彈出的菜單欄中點擊[SetMeasurements…]按鈕，在分析圖像圓度的選項前進行勾選，在彈出的數據欄中即會顯示圓度的數據。

3.4 進行面積平均值分析

運用EXCEL 軟件，對實驗37 天的活性污泥顆粒的面積和圓度實驗數據做統計分析，如圖4 所示。

圖4 圓度與顆粒分析結果

圖5 污泥面積平均值的圖像分析

4 結論

4.1 在污泥逐漸顆粒化過程中，污泥總體呈現出由小到大、由分散到聚集的過程。污泥的凈水能力逐漸提升，并且最終趨于穩定。其中許多理化性質也發生了較大的變化。例如混合液懸浮固體（MLSS），呈先上升后下降的趨勢，即微生物展現出了對新環境的適應再擴大增長規模的過程。

4.2 在顆粒化培養的前期，顆粒污泥粒徑的增長緩慢，而后期粒徑增大較為迅速。原因是，在初期微生物首先發生聚集使其變得密實，由于該過程沒有載體所以速度較慢，但污泥的沉降性能可明顯得到提高；中期微生物的生長就可以借助前期形成的載體附著生長，因此顆粒的粒徑較快增長；后期粒徑與微生物的生長速率、水力剪切力逐漸達到平衡。

4.3 隨著污泥內部微生物對反應器運行條件的逐漸適應，微生物量不斷積累，MLSS 開始增加，SBR 的污泥顆粒化程度不斷提高。實驗到第37 天時，好氧顆粒污泥對化學需氧量去除率為98.62%，氨氮的去除率為63.66%，磷的去除率45%。